1. Máquinas Térmicas
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1 Motores de Combustão Interna ( MCI ) - 2009 .

2. Máquinas Térmicas
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Índice
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2 Motores de Combustão Interna ( MCI ) - 2009 .

3. Máquinas Térmicas
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1 - DEFINIÇÕES e CONCEITOS
1.1 – Motor: É uma máquina destinada a converter qualquer forma de energia
em energia mecânica.
1.2 - Combustão: Reação química entre um combustível e um comburente com
liberação de calor e luminosidade (normalmente) de forma exotérmica. Voltaremos
a este assunto oportunamente.
1.3 - Motor de combustão interna (MCI), converte Calor em energia mecânica.
São máquinas dentro da quais os produtos da combustão geram os movimentos dos
componentes. Ex: motor por centelha ou motor de ciclo Otto, motor por ignição a
compressão ou motor de ciclo Diesel; turbinas a gás.
Classificação dos motores de combustão interna:
1.3.1– Quanto ao Sistema de ignição:
- Ignição por centelha – Motores Otto
- Ignição por compressão – Motores Diesel
1.3.2 – Quanto ao sistema de alimentação:
- Alimentação por carburação – Álcool ou gasolina
- Alimentação por bomba injetora – Motores Diesel
- Alimentação por misturador – Motores a gás GNV ou GLP
- Alimentação por injeção direta – Modernos motores Otto e Diesel
1.3.3 – Quanto ao ciclo operativo:
- Motores de 4 tempos
-Motores de 2 tempos
1.3.4 – Quanto ao sistema de refrigeração:
- Motores refrigerados a água
- Motores refrigerados a ar – Volks, Deutz e Krupp.
1.3.5 – Quanto à disposição dos cilindros:
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4. Máquinas Térmicas
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- Em linha – 4, 6 ou 8 cilindros.
- Cilindros opostos – Volks e Boxer
- Pistões opostos – motores delta para lanchas
- Em estrela – motores para aviação
- Em “V” – 6, 8, 12, 16 ou mais cilindros.
1.4 – Potência: Capacidade de realizar trabalho por unidade de tempo. Para
motores de combustão usamos as unidades:
1.4.1 – Horse Power (hp) – Potência necessária para elevar 33.000 Lbs. a uma
altura de 01 ft. de altura em 01 minuto. Equivale a 745,7 watts. É a unidade de
potência usada pela norma americana SAE e para sua medição o motor deverá estar
sem os equipamentos consumidores (ventilador, bomba d’água, alternador,
compressor, tomadas de força, etc).
1.4.2 – Cavalo-vapor ou cv ou PS: Corresponde à potência necessária para
elevar um peso de 75 Kgf à altura de 01 m em 01 seg. É a unidade de potência da
norma alemã DIN e para sua medição o motor deverá estar completamente equipado.
Corresponde a 735,5 watts.
1.5 – Curso do pistão = Distância percorrida pelo pistão entre o Ponto Morto
Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI). O ponto morto é o ponto em que o
pistão inverte seu sentido de movimento.
1.6 – Cilindrada: É o volume deslocado pelo pistão entre o PMI e o PMS
medido em cm³ ou em Litros, aqui no Brasil.
C = (( π/4 . d²). L).N onde:
C = cilindrada do motor
N = número de cilindros do motor
d = diâmetro do cilindro (cm)
L = curso do pistão (cm)
Ex: Um motor com 4 cilindros de diâmetro 3. 75” e curso de 98 mm tem
cilindrada:
C= (π/4 . (9,525 cm)² . 9,8 cm ). 4 = 2.793 cm3 ou (2.800 cilindradas) ou (2.8
Litros)
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1.7 – Taxa de compressão ou Relação de compressão: É a relação entre o
volume do cilindro quando o pistão está no PMI e quando ele se encontra no PMS. A
taxa de compressão é expressa na forma 6:1 ou 7:1 ( lê-se 6 para 1 ou 7 para 1).
Rc = V (pmi) / V(pms) onde:
Rc: Relação de compressão ou taxa de compressão
V(pmi) = volume quando o pistão está no PMI.
V(pms) = volume quando o pistão está no PMS.
2- CICLOS OPERATIVOS
2. 1 – Motores de 04 tempos
2.1.1 – ADMISSÃO - É a fase do ciclo de funcionamento do motor durante a
qual a mistura ar-combustível (no motor ciclo OTTO) ou ar (no motor ciclo DIESEL)
é aspirada para o interior do cilindro, com a válvula de admissão aberta e a válvula de
escape fechada, e o pistão indo do PMS ao PMI.
2.1.2 – COMPRESSÃO - É a fase do ciclo de funcionamento do motor durante
a qual a mistura ar-combustível (motor ciclo OTTO) ou ar (motor ciclo DIESEL) é
comprimida no interior do cilindro, são elevadas a pressão e a temperatura para
depois ser inflamada. Nos motores do ciclo OTTO, a pressão da mistura ar –
combustível no final desta fase pode alcançar de 12 a 20 bar e a temperatura de 300ºC
a 480ºC. Nos motores a diesel, a combustão começa logo após a injeção do
combustível e ao final da fase de compressão, a pressão pode chegar a valores entre
35 e 50 bar e a temperatura atinge de 430ºC a 600ºC. A fase de compressão inicia
quando o pistão começa sua subida em direção ao ponto morto superior (PMS) e a
válvula de admissão se fecha. Durante o processo, a mistura ar-combustível (ou
somente ar nos motores Diesel) primeiro recebe calor das paredes do cilindro, mas
aos poucos o calor começa a ser liberado pela própria mistura. Teoricamente a fase
deveria terminar no momento em que o pistão alcançar o PMS, mas ela é antecipada
porque a faísca no terminal do eletrodo explode um pouco antes dessa posição. A
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injeção nos motores Diesel também começa vários graus antes do ponto morto
superior.
2.1.3 – EXPANSÃO - É a fase que vem depois da combustão. Nela o pistão
desce do PMS ao PMI e parte da pressão exercida sobre ele pelos gases em alta
temperatura é transmitida ao virabrequim.
2.1.4 – ESCAPE - É a fase na qual os gases são expulsos do cilindro. Em tese,
deveria iniciar quando o pistão sai do PMI e vai para o PMS. Na realidade, a válvula
de escape começa a abrir um pouco antes de o pistão chegar ao PMI, ao final da fase
de expansão, e os gases começam a sair pelo duto de descarga graças à pressão
interna. Dessa forma, quando o pistão inverte seu movimento, uma vez atingido o
PMI, e começa a trajetória rumo ao PMS, a válvula de escape já esta bem levantada e
boa parte dos gases já saiu do cilindro. Em conseqüência, o trabalho, e, portanto a
potência subtraída do virabrequim, necessário para completar a fase de descarga é
menor, em beneficio do rendimento do motor. Nos motores do ciclo OTTO,
funcionando com a válvula borboleta do carburador completamente aberta, os gases
de combustão escoam dos cilindros com temperatura entre 800ºC a 900ºC-
temperatura que sobe ainda mais se o motor for sobrealimentado. Nos motores a
diesel, a temperatura em questão é bem mais baixa em torno de 550ºC a 650ºC. Ela
também sobe se o motor for sobrealimentado.
2.2 – Motor de 02 tempos:
Os motores de 02 tempos combinam em apenas 02 cursos as funções do motor
de 04 tempos. Ocorrendo a combustão o pistão é impulsionado para baixo,
fornecendo movimento à árvore e comprimindo a mistura ar/combustível no cárter
para utilizá-la no ciclo seguinte. Pouco antes de atingir o PMI o pistão descobre as
janelas da camisa permitindo que a mistura comprimida empurre os gases da
combustão para fora do cilindro e preenchendo-o com nova mistura. A nova mistura
é comprimida, sofre ignição, expande-se e reinicia-se o ciclo. O funcionamento dos
motores Diesel de 02 tempos é semelhante destacando-se algumas peculiaridades:
- Não há “mistura” admitida, apenas ar puro forçado para dentro do cilindro por
compressor tipo lóbulo (blower) ou turbo alimentador acionado por gases de escape.
O óleo diesel é injetado de maneira semelhante à do motor Diesel de 04 tempos.
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3- PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM MCI:
Os componentes do motor são classificados em:
3.1 – Móveis: Bielas, pistão, árvore de manivelas ou virabrequim, árvore
comando de válvulas, mecanismos de acionamento das válvulas.
Biela: É o “braço” de ligação entre a árvore de manivelas e o pistão. Recebe o
impulso do pistão e o transmite à árvore. É o componente que permite a
transformação do movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo no
virabrequim.
Pistão: Recebe o impulso provocado pela explosão da mistura combustível e o
transmite à biela. No tempo de compressão é o responsável por comprimir a
mistura no trajeto PMI ao PMS.
Árvore de manivelas ou virabrequim: É a parte que recebe o movimento
retilíneo da biela e o transforma em movimento rotativo disponível no volante do
motor.
Árvore comando de válvulas: Sua função é abrir e fechar as válvulas de
admissão e escape nos tempos correspondentes. É acionada pelo virabrequim por
engrenagem, corrente ou por correia sincronizadora. Os ressaltos de que se compõe
recebem o nome de cames. Os cames acionam os tuchos, as hastes das válvulas e
os balancins que acionam a válvula.
Válvulas: Dividem-se em válvulas de admissão e de escape. As válvulas de
admissão se abrem para permitir a entrada do mistura ar-combustível, ou apenas ar,
no tempo de admissão permanecendo fechadas nos demais tempos. O mesmo
raciocínio se aplica às válvulas de escape.
Mecanismo de acionamento das válvulas: Compõe-se de tuchos, hastes e
balancins. No momento em que a árvore de comando gira, o ressalto (came) aciona
o tucho que move a haste, que aciona o balancin, que comprime o pé da válvula,
forçando-a a abrir.
3.2 Fixos: Bloco do motor, cárter, cabeçote.
Bloco do motor: É o maior componente do motor e a estrutura sobre a qual se
monta a maior parte dos componentes. É uma peça fundida em ferro ou alumínio
com posterior usinagem para formar os cilindros, os alojamentos da árvore de
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manivelas (mancais fixos) e sedes ou apoios para motor de partida, cárter, bombas,
cabeçote, comando de válvulas etc. Ainda no bloco situam-se diversos canais de
circulação de óleo e de líquido de refrigeração, além dos furos de passagem para
hastes de válvulas. Nos motores refrigerados a ar, os cilindros possuem aletas para
favorecer a circulação e ar entre eles.
Cárter = Parte inferior do motor, fixada ao bloco onde fica depositado o óleo
lubrificante. Nos motores de dois tempos, funciona com reservatório de mistura
antes da admissão.
Cabeçote: Parte superior do motor que atua com “tampa dos cilindros” e
contra a qual o pistão comprime a mistura ar-combustível. Contém as válvulas de
admissão e escape e alojamentos para as velas de ignição (motores Otto) ou para os
bicos injetores (motores diesel). No cabeçote é montado o conjunto de balancins e
em motores de alta rotação também contém a árvore de comando de válvulas.
3.3 – Auxiliares: Bomba d’água, bomba de óleo, ventilador, bomba injetora,
alternador, radiador etc.
Bomba d’água: tem a função de forçar a circulação do liquido refrigerante
pelos canais de circulação do bloco e do cabeçote e conduzi-lo ao radiador para
troca de calor com o ar.
Bomba de óleo: tem a função de forçar a circulação do óleo através dos canais
do bloco, do cabeçote, do virabrequim, através do filtro de óleo para promover a
lubrificação das peças com movimento entre si e para permitir a filtragem e a
refrigeração do óleo por troca de calor com o meio ambiente. Alguns motores
possuem radiadores para refrigeração do óleo.
Ventilador: Equipamento destinado a forçar a corrente de ar a passar pelo
radiador para promover a troca de calor do líquido de refrigeração e o ar circulante.
Pode ter acionamento elétrico ou por correia ligado ao virabrequim.
Bomba injetora: Equipamento usado nos motores Diesel para forçar o óleo
para os bicos injetores onde, devido à alta pressão é pulverizado para dentro dos
cilindros.
Alternador: Dispositivo destinado a converter a energia mecânica que recebe
através da correia em energia elétrica que será utilizada na manutenção da carga da
bateria e circuitos elétricos.
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Radiador: Componente responsável pela troca de calor entre o líquido de
refrigeração e o ar forçado pelo radiador. Situa-se normalmente na parte frontal do
veículo e se constitui de tubos e aletas de material com boa condutividade térmica.
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4- SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO:
Nos motores a gasolina ou álcool carburante, é composto por uma bomba que
transfere o combustível do tanque para o carburador e este, por sua vez, promove a
transformação desse combustível líquido em vaporizada (carburação) através da
passagem de ar por um “Venturi”. A mistura ar-combustível é, então, conduzida ao
cilindro para ser queimada. A quantidade de ar para o motor, bem como a quantidade
de combustível misturada, são controladas através da abertura da borboleta de
estrangulamento e dos injetores de aceleração e partida.
Nos motores diesel, a bomba injetora aspira o óleo combustível do tanque e o
submete a elevadíssimas pressões (até 300 atm) e o envia aos bicos injetores que
contém furos e diâmetro extremamente reduzidos. Ao passar pelos furos o óleo diesel
pulveriza-se e ao entrar em contato com o ar aquecido pela compressão sofre a
ignição.
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11. Máquinas Térmicas
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5 – COMBUSTÃO
Combustão: É o resultado da combinação rápida do oxigênio com o elemento
combustível, produzindo luz e calor. A eficiência da combustão está diretamente
ligada à combinação de três elementos:
- Temperatura suficiente para a ignição
- Tempo necessário pra a combustão completa
- Mistura adequada de ar e combustível que permita a queima completa.
5.1 – Combustível: Substância que reage com o oxigênio (O2) liberando luz e
calor.
Classificação dos combustíveis:
5.1.1 – Combustíveis sólidos: O uso prático de combustíveis sólidos em motores
não existe. A rigor, o combustível só se queima em estado gasoso. Na década de 40,
em virtude da falta de combustível provocada pela guerra utilizou-se de um
dispositivo chamado gasogênio para utilizar combustíveis sólidos. Os combustíveis
sólidos mais comuns são antracito, carvão vegetal, coque, xisto betuminoso, e
madeira.
5.1.2 – Combustíveis líquidos:
Em geral, todo petróleo cru é formado pela combinação de carbono e
hidrogênio na proporção aproximada de 86% de carbono (C) e 14% de hidrogênio
(H) por peso. As diversas maneiras como os átomos de carbono se unem aos de
hidrogênio formam os variados compostos chamados hidrocarbonetos.
5.1.2.1 – Combustível líquido de origem vegetal:
O álcool etílico pode ser obtido da cana de açúcar, da beterraba, do milho, da
mandioca, da uva, etc. O álcool metílico é obtido do carvão mineral, da celulose de
madeira ou da destilação fracionada do vinagre.
Etanol ou álcool etílico: C2H5OH
Metanol ou álcool metílico: CH3OH
Óleo vegetal obtido da soja, milho, arroz, mamona, semente de algodão,
girassol, etc. Todos podem ser usados no motor Diesel, porém apresentam vários
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12. Máquinas Térmicas
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inconvenientes que a disponibilidade do Diesel ainda não estimula a pesquisa para
sua superação e além disso:
- é praticamente impossível a partida do motor com óleos vegetais;
- provocam freqüentes entupimentos de bicos injetores
5.1.3 - Combustível Gasoso:
Vantagens: partidas fáceis sem necessidade de pré- aquecimento.
Desvantagem: problemas de armazenamento e manuseio; risco de explosão.
Classificação:
Os combustíveis gasosos se dividem em:
- Gás natural;
- Gás obtido por gaseificação de combustível sólido (gás de carvão, de processos
de coqueria etc)
- Gás obtido da refinação de petróleo (GLP).
-Gás de alto-forno: produzido no processo siderúrgico; possui grande
quantidade de monóxido de carbono (CO).
- Gás de lixo ou biogás: ricos em metano (CH4) e em monóxido de
carbono(CO).
Do processo de destilação do petróleo, os gases mais relevantes são:
- Metano CH4
-Etano C2H 6
-Propano C3H8
- Butano C4H10
Os dois últimos constituem o gás de cozinha ou GLP que à temperatura ambiente se
liquefaz a uma pressão de 08 Kgf/ cm2 o que o torna extremamente prático para
estocagem, transporte e consumo.
5.1.4 -Poder calorífico superior PCS: É a quantidade de calor liberada pela
queima de 01 Kg do combustível em referência.
5.1.5 -Poder calorífico inferior ou PCI: Quantidade de calor liberado pela
queima de 01 Kg do combustível em referência, descontada a parcela necessária para
a evaporação da umidade contida no combustível. Alguns valores de para
conhecimento:
Álcool = 5.000 Kcal/L Óleo combustível = 10.800 Kcal/Kg
Querosene = 8.300 Kcal/ Kg Gás alto forno = 7.000 Kcal / Kg
Óleo diesel = 8.620 Kcal / Kg GLP = 18.000 Kcal/Kg.
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13. Máquinas Térmicas
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Em geral, podemos considerar a combustão como reações químicas descritas
abaixo:
C + O2 = CO2
1 Kmol + 1 Kmol = 1 Kmol
12,01 Kg + 32,00 Kg = 44,01 Kg
Esta reação libera 4,08 X 10 5 KJ
H2 + 1 / 2 O2 = H2O
1 Kmol + 1/2 Kmol = 1 Kmol
2,016 Kg + 16,00 Kg = 18,00 Kg
Esta reação libera 2,42 X 10 5 KJ
S + O2 = SO2
1 Kmol + 1 Kmol = 1 Kmol
32,06 Kg + 32,00 Kg = 64,06 Kg
A presença de enxofre no combustível apesar de ilusória vantagem de liberar
energia, é altamente indesejável pelos problemas de corrosão que acarreta e pelo dano
causado pelas “ chuvas ácidas” que se formam quando o dióxido de enxofre se
combina com a umidade atmosférica e forma o ácido sulfúrico H2SO4.
5.1.5 – Combustão completa: Aquela na qual todos os elementos combustíveis
se combinam com o oxigênio permite a obtenção de toda energia calorífica
disponível no combustível.
5.1.6. – Combustão incompleta: Aquela na qual parte dos elementos
combustíveis não se combina com o oxigênio. Ocorre a perda de energia disponível
no combustível, formação de fumaça negra, formação de monóxido de carbono (CO),
que é inflamável e extremamente venenoso; resíduos de hidrogênio e frações de
hidrocarbonetos gasosos como CH4, CH2, etc. Para se evitar este inconveniente,
perigoso em determinados níveis de concentração, procura-se estabelecer uma
combustão com ligeiro excesso de ar para garantia da queima total do todos os
combustíveis.
5.1.6 – Cálculo da quantidade de ar necessária para a queima de 01 Kg de
hidrocarboneto.
Para este cálculo usaremos a fórmula abaixo:
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14. Máquinas Térmicas
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Ac = {137,9 . (n + 0,25m) } / (12n + m) onde:
Ac = quantidade de ar para a queima de 01 Kg do combustível [ Kg ]
n = índice do carbono na fórmula do hidrocarboneto.
m = índice do hidrogênio na fórmula do hidrocarboneto.
Exemplo 01: Calcular a quantidade de ar necessária para queimar
completamente 180 litros de gasolina (C8H18)
Solução: peso específico da gasolina ℘= 830 g / dm³
180 L = 180 dm³ P = ℘. V P = 0,83 Kg/ dm³ X 180 dm³ = 149,4 Kgf.
Ac = {137,9. (8+ 0,25.18) } / (12 . 8 + 18) = 15,12 Kg de ar/kg de gasolina
Total de ar = 15,12 X 149,9 = 2266,6 Kg de ar.
Exemplo 02: Calcular a quantidade de ar necessária para queimar 1,0 Kg de óleo
diesel (C16H34):
Ac = 137,9 .(16 + 0,25 . 34) / (12.16 +34) = 14,95 Kg de ar/ Kg de óleo Diesel.
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15. Máquinas Térmicas
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6 - PERFORMANCE de um MOTOR de COMBUSTÃO INTERNA
Quando ocorre a combustão da mistura ar-combustível no interior do cilindro do
motor, a energia liberada por unidade de tempo é consumida pelo atrito interno do
motor, pelo trabalho que os pistões realizam sobre o eixo do motor e por uma parcela
que é perdida no tempo de escapamento dos gases produzidos para a atmosfera.
Distribuição da potência obtida na combustão:
30% - são convertidos em potência mecânica
20% - consumidas no processo de refrigeração
5% - são perdidos sob a forma de atrito interno
45% - perdidos nos gases de escapamento
- A Potência Indicada ( Pi ), é a potência desenvolvida sobre a cabeça do pistão
e decorrente da combustão da mistura ar-combustível.
Para um motor de quatro tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 900.000
(CV)
Para um motor de dois tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 450.000
(CV)
Onde:
pmi – pressão média indicada em kgf/cm2
A – área da cabeça do pistão em cm2
l – curso do pistão em cm
n – número de cilindros
N – rotação do motor em rpm
Nos países anglo-saxônicos, a unidade HP é usada para calcular a potência
indicada. Neste caso temos:
Para um motor de quatro tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 792.000
(HP)
Para um motor de dois tempos Pi = ( pmi x A x l x n x N ) / 396.000
(HP)
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16. Máquinas Térmicas
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Onde:
pmi – pressão média indicada em lbf / pol2
A – área da cabeça do pistão em pol2
l – curso do pistão em pol
n – número de cilindros
N – rotação do motor em rpm
- Potência efetiva ( Pe ) é a potência medida sobre o eixo de manivelas do
motor. O seu cálculo é feito de maneira semelhante ao da potência indicada,
considerando que no lugar da pressão média indicada, devemos usar a pressão média
efetiva. Na prática essa potência é determinada por meio de dinamômetros,
conhecido por Freio de Prony. Por esta razão, a potência efetiva também é conhecida
por potência no freio.
Relação entre as potências
A potência indicada é igual à soma das potências efetiva com a potência de
atrito. Onde a potência de atrito representa as perdas com o movimento relativo e
também para acionamento de outros acessórios como bombas e geradores.
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17. Máquinas Térmicas
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7 -QUESTIONÁRIO
1- Escreva o que é um Motor de Combustão Interna ?
2- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de
ignição?
3- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de
alimentação?
4- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de ciclo
operativo?
5- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de
refrigeração?
6- Como são classificados os Motores de Combustão Interna pelo tipo de
disposição dos cilindros?
7- O que é Ponto Morto Superior ( PMS) de um motor de combustão interna?
8- O que é Ponto Morto Inferior (PMI) de um motor de combustão interna?
9- Como é definido o Curso de um pistão?
10-O que significa Cilindrada de um motor?
11-Qual é o significado de um motor 1.8?
12-Qual é o significado de um motor 2000?
13-Como é calculado a cilindrada de um motor de combustão interna?
14-O que significa taxa de compressão de um motor?
15-Descreva o tempo de Admissão de um motor.
16-Descreva o tempo de Compressão de um motor.
17-Descreva o tempo de Expansão de um motor.
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17 Motores de Combustão Interna ( MCI ) - 2009 .

18. Máquinas Térmicas
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18-Descreva o tempo de Escape de um motor.
19-Conforme o tempo do motor, informe a posição do pistão e a situação das
válvulas de admissão e de escape.
20-Quais são os componentes móveis de um motor?
21-Quais são os componentes fixos de um motor?
22-Um veículo nacional tem um motor 1.8 a álcool hidratado C2H6O; de quatro
cilindros e é de quatro tempos. Possui um tanque de combustível com
capacidade de 58 Litros.
a- Qual é a cilindrada deste motor?
b- Se o diâmetro do cilindro for 76 mm, qual é o curso deste motor?
c- Qual é o peso do combustível armazenado no tanque? Peso específico do
álcool 800 Kgf/m3.
d- Qual é a quantidade de ar em Kgf para queima de todo o combustível
armazenado no tanque?
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18 Motores de Combustão Interna ( MCI ) - 2009 .